Quantenchemie
Die Quantenchemie wendet die Quantenmechanik auf Atome und Moleküle an und leitet die elektronische Struktur, Bindung und Spektren aus der Schrödinger-Gleichung und den zu ihrer Lösung erforderlichen Näherungen ab.
Definition
Quantenchemie ist der Zweig der physikalischen Chemie, der die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um die elektronische Struktur, Energien, Bindung und Eigenschaften von Atomen und Molekülen zu bestimmen.
Scope
Dieser Bereich umfasst die quantenmechanischen Grundlagen der Chemie: die molekulare Schrödinger-Gleichung und die Wellenfunktion; die Born-Oppenheimer-Trennung von Elektronen- und Kernbewegung; die Konstruktion von Molekülorbitalen aus Atomorbitalen und das daraus resultierende Bild der chemischen Bindung; sowie die Variations- und Störungsmethoden, zusammen mit den Hartree-Fock- und Dichtefunktional-Ansätzen, die zur Gewinnung von Näherungslösungen verwendet werden. Die experimentelle Untersuchung dieser Strukturen durch Spektroskopie und die stark computergestützten Implementierungen werden in angrenzenden Bereichen behandelt.
Sub-topics
Core questions
- Wie beschreibt die Schrödinger-Gleichung die Elektronen und Kerne eines Moleküls?
- Warum können Elektronen- und Kernbewegung durch die Born-Oppenheimer-Approximation getrennt werden?
- Wie erklären aus Atomorbitalen aufgebaute Molekülorbitale die chemische Bindung?
- Wie liefern Variations- und Störungsmethoden annähernde Energien und Wellenfunktionen?
Key concepts
- Molekulare Schrödinger-Gleichung und Wellenfunktion
- Born-Oppenheimer-Approximation
- Molekülorbitale und chemische Bindung
- Variationsprinzip und Störungstheorie
- Hartree-Fock- und Dichtefunktionalmethoden
Key theories
- Molekülorbitaltheorie
- Elektronen in Molekülen besetzen Orbitale, die über das gesamte Molekül delokalisiert sind und als Linearkombinationen von Atomorbitalen aufgebaut sind; bindende und antibindende Kombinationen und deren Besetzung erklären Bindungsordnung, Magnetismus und Reaktivität.
- Hartree-Fock-Self-Consistent-Field-Methode
- Jedes Elektron wird als sich im mittleren Feld der anderen bewegend behandelt, was zu einem Satz gekoppelter Einelektronengleichungen führt, die iterativ bis zur Selbstkonsistenz gelöst werden; sie liefert die Referenz, auf der genauere korrelierte Methoden aufbauen.
Clinical relevance
Die Quantenchemie liefert die Grundlage der elektronischen Struktur zur Vorhersage von Molekülgeometrien, Reaktionsenergetik, Spektren und Reaktivität und untermauert die computergestützte Arzneimittelentwicklung, Materialentwicklung, Katalyse und die Interpretation spektroskopischer Messungen.
History
Die Quantenchemie begann 1927 mit der Heitler-London-Behandlung des Wasserstoffmoleküls; die Valenzbindungstheorie wurde von Pauling und die Molekülorbitaltheorie von Hund und Mulliken entwickelt, und die Hartree-Fock-Methode und später die Dichtefunktionaltheorie machten das Feld zu einer prädiktiven, computergestützten Disziplin.
Key figures
- Erwin Schrodinger
- Linus Pauling
- Robert S. Mulliken
Related topics
Seminal works
- mcquarrie1997
- levinequantum2014
- szabo1996
Frequently asked questions
- Was ist der Unterschied zwischen Valenzbindungstheorie und Molekülorbitaltheorie?
- Die Valenzbindungstheorie baut Bindungen aus lokalisierten Elektronenpaaren auf, die zwischen spezifischen Atomen geteilt werden, während die Molekülorbitaltheorie Elektronen über Orbitale verteilt, die das gesamte Molekül umfassen; beide sind Annäherungen an dieselbe Quantenrealität, und jede ist für verschiedene Probleme bequemer.
- Warum kann die Schrödinger-Gleichung für die meisten Moleküle nicht exakt gelöst werden?
- Jenseits der einfachsten Einelektronensysteme koppelt die gegenseitige Abstoßung zwischen Elektronen deren Bewegungen untrennbar, sodass exakte Lösungen unmöglich sind und Chemiker auf systematische Näherungen wie Hartree-Fock, Störungstheorie und Dichtefunktionalmethoden angewiesen sind.